Аналогов в России нет: полимерный материал для замещения костных дефектов
Источник фото: klinika-ortopedov.ru
Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» разрабатывают полимерный материал для замещения костных дефектов, аналогов которого в России нет.
В каких случаях можно использовать имплантат из полимера и в чем преимущество синтетического материала перед биологическим, порталу «Rosnauka.ru» рассказал один из его разработчиков, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» Федор Сенатов.
- Федор Святославович, какими свойствами обладает разрабатываемый полимерный материал? Что входит в его состав?
Полимерный имплантат, который мы разрабатываем, имеет строение, повторяющее архитектуру костной ткани. При этом, имплантат является двухслойным: внешний слой - армирующий, несет на себе основную нагрузку, по аналогии с кортикальной костной тканью, а внутренний слой имитирует губчатую костную ткань и имеет взаимосвязанные между собой поры. Объемная пористость такого слоя составляет 80 %, а диапазон размеров пор от 80 до 700 мкм, что необходимо для прорастания костной ткани. Оба слоя имплантата состоят из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и представляют каркас для прикрепления и прорастания клеток костной ткани. Для этих целей пористый слой содержит мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) и белки - факторы роста, стимулирующие дифференцировку клеток именно в костную ткань.
Отличительной чертой такой биоинженерной конструкции является её двухслойность и то, что с помощью сверхкритических сред верхний сплошной полимерный слой насыщен бактерицидным агентом, что препятствует возникновению инфекционных процессов.
После операций на опорно-двигательном аппарате - инфекции являются серьезным и частым осложнением, что грозит развитием остеита, остеомиелита, остеонекроза, сепсиса, и впоследствии ампутацией конечности. Одним из вариантов решения данной проблемы является внесение антибактериального вещества непосредственно в место инфекционного процесса, что и было нами осуществлено предварительным нанесением его на поверхность имплантата для профилактики.
- Существуют ли аналоги в нашей стране и за рубежом?
В России аналогов таким материалам нет. За рубежом в настоящий момент выпускаются пористые материалы на основе полиэтилена под торговой маркой MEDPOR. Но эти материалы применяются в челюстно-лицевой хирургии и не содержит мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) и белковых факторов роста.
- В чем особенности технологии производства полимерного материала?
В качестве основы биоинженерной конструкции мы используем сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) - вполне доступный и недорогой материал, но, к сожалению, не производящийся в России, но уже много лет используемый в медицине при эндопротезировании суставов. У этого полимера есть недостаток: очень сложная технология его переработки.
Предложенный нами метод производства двухслойных конструкций состоит в формировании сплошного слоя из механоактивированного порошка СВМПЭ и пористого слоя из смеси порошка СВМПЭ и порообразующего наполнителя NaCl в пресс-форме путем термопрессования. После получения монолитной заготовки соль из него вымывают субкритической водой под давлением 250 атм при температуре 120 ºС. После материал сушат.
Для предотвращения образования бактериальной плёнки во внешний сплошной слой вводят бактерицидный агент. После этого конструкция стерилизуется с помощью сверхкритического диоксида углерода. Промывка, нагрузка бактерицидным агентом и стерилизация проводится на одной установке нашим индустриальным партнером Государственным заводом медицинских препаратов (ГосЗМП), который в дальнейшем готов открыть линию производства этих имплантатов. Пористую же часть готовых каркасов заселяют ММСК и факторами роста. Эти эксперименты по сочетанию клеточных и белковых технологий мы проводим совместно со специалистами Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина.
Фото: пресс-служба НИТУ «МИСиС»
- При каких заболеваниях опорно-двигательного аппарата можно использовать имплантат из подобного полимерного материала? Насколько хорошо приживается имплантат, могут ли клетки прорастать через него и образовывать новые кровеносные сосуды?
Такая биоинженерная конструкция станет основой для имплантатов достаточно крупных, более 5 см3, дефектов трубчатых и плоских костей с улучшенной остеокондуктивностью и бактерицидностью, обеспечивающей контактный остеогенез на границе имплантат - кость.
Сам по себе СВМПЭ является биоинертным полимером, то есть он не способен к индуцированию процессов регенерации. Но разработанная нами архитектура имплантата соответствует структуре костной ткани, имеет открытые проходные поры необходимого размера и количества, являющиеся идеальной подложкой для роста новой костной ткани и формирования новых кровеносных сосудов. Для придания имплантату биоактивных свойств мы активно используем клеточные технологии. Пористый каркас имплантата заселяется клетками, вызывающими рост костной ткани. Эти клетки можно получать из различных источников, включая первичные ткани и клеточные линии.
- Какие преимущества у синтетического имплантата по сравнению с аналогами из биологического материала?
Для исправления дефектов костной ткани, возникающих при травмах, врожденных пороков развития или при онкологических заболеваниях, применяют также аутологичные трансплантаты - биологический материал, взятый из другой части тела пациента. Однако недостатки такого подхода включают наличие достаточно ограниченного количества тканей, которые можно было бы изъять без функционального ущерба, опасности затягивания времени операции, повышения вероятности осложнений в виде шока, боли и занесения инфекции при нанесении дополнительной травмы больному.
С нашей точки зрения наиболее перспективным направлением при создании имплантатов является использование синтетических полимерных материалов, которые имеют массу преимуществ: поддаются стерилизации, исключают возможность передачи различных вирусных заболеваний, подобные имплантаты могут изготавливаться любой формы и размеров, кроме того, полимерный материал относительно недорог.
Поэтому сейчас в клиниках возрастает спрос именно на синтетические имплантаты, с которыми работать гораздо проще.
- На каком этапе сейчас находится ваше исследование?
К настоящему времени уже получены образцы биоинженерных каркасов, проведены исследования процесса заселения их клетками, нагрузки белковыми факторами роста. Отработаны методики стерилизации таких конструкций и насыщения бактерицидным агентом. В данный момент проводятся опыты in vivo: изучается реакция тканей организма лабораторных животных, исследуются изъятый после имплантации материал, чтобы проверить, как он прорастает тканями.
- Проявили ли интерес к этой разработке какие-либо медицинские учреждения?
С проблемой восстановления дефектов костной ткани сталкиваются не только люди, но и животные. Поэтому большой интерес уже данном этапе исследований проявляют ветеринары. Надеемся, что еще до того, как разработка дойдет до лечения людей, мы уже сможем помочь их четвероногим питомцам.
Проект «Разработка бислойной биоинженерной конструкции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для репаративной хирургии плоских и трубчатых костей с использованием ростовых факторов и клеточных технологий» проводится при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы» и Минобрнауки России.
Беседовала Ирина Терешкова
Подробнее: http://rosnauka.ru/publication/1007